Projektbeschreibung
Untersuchung der Eigenschaften nicht ergodischer Quantenmaterie
Ergodische Systeme bilden das Herzstück der statistischen Mechanik, da sie ein thermisches Gleichgewicht erreichen und somit umfangreiche klassische Beschreibungen ermöglichen. Im Gegensatz dazu scheitern nicht ergodische Quanten-Vielteilchensysteme an der Thermalisierung und könnten daher in der Lage sein, ihre Quanteneigenschaften für einen längeren Zeitraum zu bewahren. Das EU-finanzierte Projekt NEQuM will weitere Einblicke in die Dynamik und Eigenschaften solcher isolierter Quantensysteme gewinnen. Dazu sollen verschiedene Wege zur Ergodizitätsbrechung untersucht werden, einschließlich Störung, Frustration und versteckter Symmetrien. Projektergebnisse, die mithilfe neuer analytischer und numerischer Verfahren erzielt wurden, werden die Grundlage zur Aufstellung einer allgemeinen Theorie zu Nichtgleichgewichtsquantensystemen bilden. Die Tatsache, dass nicht ergodische Systeme länger in der Quantenphase verbleiben, kann nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch bei neuen Technologien zahlreiche praktische Anwendungen finden. Ein Beispiel hierfür sind ungeordnete Quantensysteme, die sich als äußerst nützlich für zukünftige Technologien zur Datenspeicherung und -verarbeitung erweisen könnten.
Ziel
In this project we propose to build the theory of non-ergodic quantum matter – isolated quantum systems that avoid thermal equilibrium. To this end, we will study the established non-ergodic phases, search for new phases, and seek to understand their common properties and dynamics. Recently non-ergodic systems that avoid the fate of thermal equilibrium were realized experimentally in quantum simulators. Specific examples include many-body localized phases, glassy and kinetically constrained models, and systems with weak ergodicity breaking. Freedom from the laws of equilibrium statistical mechanics opens up a host of possible unexpected behaviors prohibited in equilibrium. The ability of non-ergodic systems to stay quantum on longer timescales has potential for practical applications. This calls for the development of a general theory of non-ergodic quantum systems. In order to develop such theory, in this project we will seek to address the questions: What are the possible ways to avoid attaining thermal equilibrium? What are the universal properties of such non-ergodic systems? What is the nature of their long time dynamics and their steady state? How can we put their properties to use? The PI will leverage his expertise in studies of many-body localization to lead a coherent research program aimed at (i) describing universal properties of highly-excited eigenstates and their entanglement; (ii) developing new methods to simulate non-ergodic dynamics and reveal its experimental signatures; and (iii) using such quantum phases for many-body state preparation and optimal control. The theory delivered by this project will ultimately provide useful insights into quantum thermalization, thus establishing the first steps towards a general theory of non-equilibrium quantum systems. On the practical side, such theory will guide the experimental search for non-ergodic phases, and open the door to their application in more efficient quantum information storage and processing.
Wissenschaftliches Gebiet
Programm/Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
ERC-STG - Starting GrantGastgebende Einrichtung
3400 Klosterneuburg
Österreich